DE4136995A1 - Kapazitiver drucksensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Drucksensor zur Messung der Drucke in verschiedenen Medien, wie Gasen oder Flüssigkeiten. Der Drucksensor hat eine Referenzdruck­ kammer aus einer elektrisch isolierenden Basisplatte und einer ebenfalls isolierenden von der Basisplatte beabstan­ deten, parallelen Membran, die in ihren Randbereichen mit­ einander verbunden und auf deren gegenüberliegenden Innen­ flächen metallische, Kondensator-Elektroden bildende Schichtabschnitte aufgebracht sind, wobei auf der Innenflä­ che der Basisplatte mindestens zwei separate Basiselektro­ den vorgesehen sind, die mit elektrisch miteinander verbun­ denen Gegenelektroden auf der Membran zwei in Reihe ge­ schaltete Kondensatoren bilden, deren Anschlüsse an der Ba­ sisplatte vorgesehen sind.

Ein gattungsgemäßer Drucksensor wird in G 90 13 959 beschrieben. Die elektrisch isolierende Basisplatte und Membran können aus Kunststoff, Glas oder Keramik, insbeson­ dere Aluminiumoxidkeramik, bestehen. Gewöhnlich besitzen die Drucksensoren eine kreisförmige oder zylindrische Struktur. An ihren Rändern sind Basisplatte und Membran gasdicht mittels einer Glasfritte oder Klebeverbindung ver­ bunden, so daß ein vorgegebener Abstand zwischen Basis­ platte und Membran eingehalten und damit die Referenzdruck­ kammer gebildet wird. Der Druck in der Referenzkammer kann in der Regel über eine Bohrung in der Basisplatte einge­ stellt werden.

Der Abstand zwischen Basisplatte und Membran beträgt typischerweise 10-50 µm. Die Membran weist eine Dicke von 100-1000 µm auf. Die Glasfritte für die Verbindung von Ba­ sisplatte mit der Membran wird gewöhnlich mit Siebdruck- Techniken aufgebracht. Die metallischen Kondensator-Elek­ troden können ebenfalls durch Siebdruck unter Verwendung von niederohmigen Widerstandspasten oder zum Beispiel Sil­ ber-Leitpasten hergestellt werden. Alternativ dazu eignen sich auch die bekannten Sputtertechnologien, mit denen me­ tallische Leitschichten aus beispielsweise Platin in einfa­ cher Weise erzeugt werden können. Zur Kontaktierung der Ba­ siselektroden sind in der Basisplatte Durchgangsbohrungen vorgesehen, die vor dem Aufbringen der Elektrodenschicht mit einem Lot gasdicht verschlossen werden. Danach wird die für die Elektroden vorgesehene Fläche der Basisplatte ge­ läppt. Gleichzeitig mit dem Aufbringen der Elektroden ent­ steht dann die leitende Verbindung mit dem Lot in den Durchgangsbohrungen.

Die beschriebenen Drucksensoren werden zur Druckmes­ sung in gasförmigen und flüssigen Medien bei Drucken von 0 bis 200 bar eingesetzt. Dabei zeigt sich jedoch ein starker Einfluß des Mediums auf den Meßwert, insbesondere bei Druckmessungen in Wasser mit seiner hohen Dielektrizitäts­ konstante von 81. Abhängig vom Medium kann der Meßwert um bis zu 50% verfälscht werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen kapazitiven Drucksensor der beschriebenen Art anzugeben, dessen Meßwert nicht durch die Art des Meßmediums beein­ flußt wird.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen gattungsgemäßen Drucksensor, der dadurch gekennzeichnet ist, daß parallel zu den Gegenelektroden eine weitere metallische Schicht als Abschirmelektrode vorhanden ist, die auf der der Basis­ platte abgewandten Seite der Gegenelektroden angeordnet und durch ein Abstandselement von den Gegenelektroden elek­ trisch isoliert und über eine Verbindungsleitung (11) mit der elektrischen Masse verbunden ist.

Ein erfindungsgemäßer Sensor läßt sich in einfacher Weise dadurch realisieren, daß die Abschirmelektrode auf der mit dem Meßmedium in Kontakt stehenden Außenfläche der Membran aufgebracht wird. Die Membran übernimmt dann die Funktion des elektrisch isolierenden Abstandselementes. In diesem Fall kann die Abschirmelektrode in einfacher Weise durch einen Federkontakt, der im Randbereich auf die Ab­ schirmelektrode gepreßt wird, mit der elektrischen Masse verbunden werden.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird das Abstandselement durch eine dünne dielek­ trische Schicht gebildet, die zusammen mit Abschirmelek­ trode und Gegenelektroden ein Schichtpaket bildet, welches mit der Abschirmelektrode beginnend auf die Membran aufge­ bracht ist. Die Verbindung der Abschirmelektrode mit der elektrischen Masse kann hierbei im Randbereich des Sensors wie für die Basiselektroden durch die Basisplatte hindurch erfolgen.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Basisplatte 4 Basiselektroden und die Membran 4 Gegen­ elektroden auf, wobei jeweils zwei der Gegenelektroden mit­ einander elektrisch verbunden sind und mit den korrespon­ dierenden Gegenelektroden zwei Paare von in Reihe geschal­ teten Kondensatoren bilden, deren Anschlüsse über die Ba­ sisplatte erfolgen. Ein Kondensatorpaar wird dabei in den Randbereich von Membran und Basisplatte gelegt. Diese An­ ordnung wird in bekannter Weise zur Kompensation von Tempe­ ratureinflüssen auf die Druckmessung verwendet. Die Kapazi­ tät dieses Kondensatorpaares hängt nämlich im wesentlichen nur von der Temperatur ab, denn im Randbereich des Druck­ sensors ändert sich der Abstand zwischen Membran und Basis­ platte und somit die Kapazität des Kondensatorpaares bei Druckänderungen nur unwesentlich.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen an Hand der in den Fig. 1 bis 5 dargestellten Ausfüh­ rungsbeispielen erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Sensor mit der Abschirmelektrode auf der dem Meßmedium zugwandten Außenseite der Membran,

Fig. 2 Aufsicht auf die Innenfläche der Basisplatte mit zwei halbmondförmigen Basiselektroden,

Fig. 3 Aufsicht auf die Innenfläche der Membran mit den beiden elektrisch verbundenen Gegenelektroden,

Fig. 4 Elektrisches Ersatzschaltbild des Sensors,

Fig. 5 Sensor mit einem als dielektrische Schicht ausge­ bildeten Abstandselement zwischen Abschirmelek­ trode und Gegenelektroden.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch einen erfin­ dungsgemäßen, kapazitiven Drucksensor (1). Er besitzt eine zylindrische Form und besteht aus einer Basisplatte (3) und einer dazu parallel angeordneten Membran (4) aus Alumini­ umoxid-Keramik. Membran und Basisplatte sind an ihrem Rand miteinander über eine Glasfritte (5) gasdicht mit einem Ab­ stand zwischen 10 bis 50 µm verbunden. Dadurch wird die Re­ ferenzdruckkammer (2) gebildet. Der Druck in der Kammer kann durch eine hier nicht dargestellte Bohrung in der Ba­ sisplatte eingestellt werden. Nach Einstellung des Refe­ renzdruckes wird die Bohrung verschlossen. Man kann die Bohrung auch mit einem Anschluß versehen und erhält dann einen Differenzdrucksensor.

Auf die Innenflächen von Membran und Basisplatte sind metallische Elektroden aufgebracht, die die gewünschten Kondensatoren bilden. Diese Elektroden bestehen zum Bei­ spiel aus Platin und werden durch Bedampfen oder durch Siebdruck in einer Stärke von ca. 50 µm aufgebracht. Die beiden Basiselektroden (6, 6′) haben die in Fig. 2 darge­ stellte halbmondförmige Struktur. Eine entsprechende Struk­ tur weisen auch die Gegenelektroden (7, 7′) auf der Innen­ fläche der Membran auf. Wie Fig. 3 zeigt, sind die beiden Gegenelektroden über einen Mittelsteg leitend miteinander verbunden.

Die Abschirmelektrode (9) ist in dem in Fig. 1 darge­ stellten Ausführungsbeispiel auf der mit dem Meßmedium in Kontakt stehenden Außenfläche der Membran aufgebracht. Die Abschirmelektrode bedeckt dabei die ganze Fläche der Mem­ bran und ist im Randbereich über eine Verbindungsleitung (11) mit der elektrischen Masse verbunden. Die Kontaktie­ rung zwischen Verbindungsleitung und Abschirmelektrode kann zum Beispiel über eine Kontaktfeder erfolgen.

Fig. 4 zeigt das elektrische Ersatzschaltbild des er­ findungsgemäßen Sensors. Der Kondensator C1 wird von der Basiselektrode (6) und Gegenelektrode (7) gebildet, während C2 aus den Elektroden (6′) und (7′) besteht. Die Kondensa­ toren C1 und C2 sind durch die elektrische Verbindung zwi­ schen den beiden Gegenelektroden in Reihe geschaltet und können über die Kontaktstellen (8) und (8′) mit der Meß- und Auswerteelektronik verbunden werden. Der Kondensator C3 wird von den Gegenelektroden (7, 7′) und der Abschirmelek­ trode (9) gebildet.

Fig. 5 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für den erfindungsgemäßen Sensor. Abschirmelektrode, Abstandse­ lement und Gegenelektroden sind dabei als Dünnschichtpaket ausgebildet, das zum Beispiel durch Siebdruck oder Sputtern auf die Innenfläche der Membran aufgebracht wurde. Die Ab­ schirmelektrode überdeckt dabei wieder die gesamte Membran­ fläche und kann daher mit denselben Techniken von der Ba­ sisplatte her kontaktiert und mit Masse verbunden werden wie die Basiselektroden. Auf der Abschirmelektrode befindet sich eine dünne dielektrische Schicht (10), die als Träger für die Gegenelektroden (7, 7′) dient und Abschirmelektrode und Gegenelektroden voneinader isoliert.

Claims (6)

1. Kapazitiver Drucksensor (1) mit einer Referenzdruckkam­ mer (2) aus einer elektrisch isolierenden Basisplatte (3) und einer isolierenden Membran (4), die parallel zueinander angeordnet und in ihren Randbereichen mit­ einander verbunden sind und auf deren sich gegenüber­ liegenden Innenflächen metallische, Kondensator-Elek­ troden bildende Schichtabschnitte aufgebracht sind, wo­ bei auf der Innenfläche der Basisplatte mindestens zwei separate Basiselektroden (6, 6′) vorgesehen sind, die mit elektrisch miteinander verbundenen Gegenelektroden (7, 7′) auf der Membran zwei in Reihe geschaltete Kon­ densatoren bilden, deren Anschlüsse (8, 8′) an der Ba­ sisplatte vorgesehen sind, dadurch gekennzeichet, daß parallel zu den Gegenelektroden eine weitere metal­ lische Schicht als Abschirmelektrode (9) vorhanden ist, die auf der der Basisplatte abgewandten Seite der Ge­ genelektroden angeordnet und durch ein Abstandselement von den Gegenelektroden elektrisch isoliert und über eine Verbindungsleitung (11) mit der elektrischen Masse verbunden ist.

2. Kapazitiver Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abstandselement zwischen den Gegenelektroden (7, 7′) und der Abschirmelektrode (9) durch die Membran (4) selbst gebildet wird.

3. Kapazitiver Drucksensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsleitung zwischen der Abschirmelektrode und der elektrischen Masse durch einen im Randbereich auf die Abschirmelektrode gepreßten Federkontakt gebil­ det wird.

4. Kapazitiver Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abstandselement zwischen den Gegenelektroden (7, 7′) und der Abschirmelektrode (9) eine dielektrische Schicht (10) ist, die zusammen mit Abschirmelektrode und Gegenelektroden ein Schichtpaket bildet, welches nach an sich bekannten Verfahren mit der Abschirmelek­ trode beginnend auf die Membran aufgebracht ist.

5. Kapazitiver Drucksensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsleitung von der Abschirmelektrode zur elektrischen Masse im Randbereich des Sensors durch die Basisplatte hindurch geführt ist.

6. Kapazitiver Drucksensor nach Anspruch 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils 4 Basis- und 4 Gegenelektroden vorgesehen sind, wobei jeweils zwei Gegenelektroden miteinander verbun­ den sind und mit den korrespondierenden Basiselektroden zwei Paare von in Reihe geschalteten Kondensatoren bil­ den, deren Anschlüsse über die Basisplatte erfolgen.